JPH03166318A - レールの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レールを熱間圧延を終えオーステナイト域以
上の．温度域から冷却して、頭部および長平方向に均質
で所定の強度レベルのレールを製造する熱処理方法に関
する． （従来の技術） 近年鉄道輸送は高軸荷重化、高速化を指向し、それにと
もなってレール頭部の摩耗や疲労が激しくなり、レール
に要求される特性も一層激しさを増し、耐摩耗性や耐損
傷性などのより優れた中間強度（Ｈ．＞３００）から高
強度（．Ｈｍ＞３４０）までの、種々の強度レベルのレ
ールが要求されるようになってきた．これまでの研究か
ら、微細なパーライト組織を有する鋼レールが、耐摩耗
性や耐損傷性などの点で優れた特性を示すことが知られ
ている． このような鋼レールとして、例えば特公昭５５−２３８
８５号公報に開示されているところの、特段の合金元素
を添加することなくレール頭部を高温度に再加熱し、所
定の温度域から冷却するとともに、ある温度区間を冷却
制御して得られる熱処理レールがある． またこのようなレールを得るための熱処理方法として、
特開昭５９−７４２２７号公報に開示されているところ
の、多数のロールを有するローラー型拘束装置を備え、
多数の水噴霧ヘッダーと交互に設けられた多数の空気地
帯をもつ冷却装置により、冷却装置の入口および出口温
度監視制御システムによって冷却装置を作動させ、水噴
霧と空気地帯で断続的に強制冷却する冷却方法とその冷
却装置がある。

（発明が解決しようとする課ｌｉＪ！）しかしながら上
述した従来のいずれの技術も、以下に述べるような問題
がある。

すなわち特公昭５５−２３８８５号公報に開示の熱処理
レールは、再加熱温度によってオーステナイト粒径が相
違する．すなわちレールが高温度に再加熱されるにつれ
てオーステナイト粒径は粗大化し、同一冷却速度で冷却
を行っても焼入れ性は向上し、硬度は高温度になるほど
高くなる。そのためレール長手方向に再加熱温度のばら
つきがあると硬度もばらつき、均一な微細バーライト組
織を得ることができなくなる。したがって再加熱温度は
厳密に温度ばらつきがないように均一に制御されている
。そして高強度レールを得るために、普通炭素鋼レール
の場合約１０℃／ｓの冷却速度で冷却を行う．しかし本
発明者らの種々の研究実験によると、第１図に示す冷却
開始温度と硬度の関係からも明らかなように、冷却温度
がＩＯ’ｃ／ｓの場合、冷却開始温度にばらつきがある
と硬度もばらつく。すなわち冷却開始温度が高くなると
硬度も高くなることが確かめられ、再加熱温度とあわせ
て冷却開始温度も所定の温度に硬度のばらつきがないよ
うに厳密に制御しなければならないという問題がある．
以上のように冷却開始温度のばらつきは硬度ばらつきを
生じさせるが、圧延熱を利用したレールの熱処理を行う
場合、圧延を終ったレールの長平方向（圧延レール長さ
、約１００ｍ〜１５０ｍ）の温度は、圧延素材加熱時の
スキッドマーク，圧延時のデスケーリング水，圧延ロー
ル冷却水や搬送ローラーとの接触などによる抜熱によっ
て１００゜Ｃ程度のばらつきが生じることは避けられな
い。そのため圧延を終えた圧延熱を有するレールを熱処
理に適用するにあたっては、熱処理前にレール長手方向
の温度を均一にする加熱・保熱炉などが必要になる．こ
のための加熱・保熱炉は、建屋面積，設備費およびラン
ニングコストに多額の費用を必要とし、また生産性も著
しく阻害するという問題がある。

つぎに特開昭５９−７４２２７号公報開示の熱処理方法
と装置は、レール長手方向の緩やがな比較的小さい温度
ばらつきに対しては有効であるが、レール長手方向の温
度ばらつきが大きくなると、たとえば加熱時のスキッド
マーク，ロール冷却水による偏冷却や搬送ローラーとの
不規則な接触冷却などによる急な温度変動に対しては、
水噴霧冷却および空気地帯のそれぞれの長さは、冷却設
備上一定の長さの繰り返しで固定されるため連続した冷
却帯長さの可変ができず、レールの殿送速度の調整やス
テップ状の冷却帯長さの調整ではレール長手方向の安定
した冷却制御は困難である。すなわち熱処理レールの高
強度化に要求されるレール長手方向にも、硬度ばらつき
の少ない微細パーライト組織を得ることは非常に難しい
という問題がある。

また強制冷却と非冷却の繰り返し断続冷却を行った場合
、本発明者らの実験研究によると、断続冷却時の強冷却
と非冷却の繰り返し数にもよるが、レール頭部断面硬度
分布は頭部表面から内部に向けて硬度の高低が生じ、硬
度分布にばらつきが生じる。その場合の組織は、頭部周
方向に沿って微細なパーライト組織と、比較的層間の粗
いパーライト組織が層状に断続冷却繰り返し数とほぼ同
数生じていた。これは強冷却と弱冷却を繰り返すなかで
、レール頭部断面内で頭表面から内部に向けて各位置で
起るパーライト変態温度が内部からの復熱や変態発熱の
影響を受けて変化し、変態が終了することが原因である
。

本発明は、圧延を終って圧延熱を有したレールを熱処理
するにあたって、レール長手方向にまた圧延レール毎に
温度ばらつきがあっても加熱・保熱炉などによる加熱・
均一保熱操作を行わないで、高強度、耐摩耗性、耐損傷
性などの諸特性がレール頭部全断面と長手方向に亘って
均一・均質化された熱処理レールを得ることができ、し
かも生産性を損わないレールの熱処理方法を提供する。

（課題を解決するための手段） 第１の発明は、圧延を終えたレールの頭部温度が、オー
ステナイト域以上である温度域から気体噴射流をレール
頭部中央部に指向して噴射冷却するレールの熱処理方法
において、レール頭部頭頂面下５０＋１１１位置の温度
７７０″ｃ〜６７０℃間を、１．７℃／ｓ以上７．０゜
Ｃｐｓ以下の冷却速度で冷却し、ひきつづき同一気体噴
射圧力でレール頭部頭頂面下５鴫位置の温度を下記（１
）式の温度以下まで冷却することを特徴とするレールの
熱処理方法である。

Ｔｅ≦６６６＋　Ｖ　・（　−３５＋　２　・Ｖ　）　
・・・・＝（１）但し、 ＴｅＶ）：レール頭部頭頂面下５Ｍ位置の冷却終了温度 Ｖ（’Ｃ／ｓ）：レール頭部頭頂面下５ｍｍ位置の温度
７７０℃〜６７０℃間の冷却速度 第２の発明は、圧延を終えたレールの頭部温度が、オー
ステナイト域以上である温度域から気体噴射流をレール
頭部中央部に指向して噴射冷却するレールの熱処理方法
において、レール頭部頭頂面の表面温度７６７℃〜６６
７℃間を、１．７℃／ｓ以上７．０℃／ｓ以下の冷却速
度で冷却し、ひきつづき同一気体噴射圧力でレール頭部
頭頂面の表面温度を下記（２》式の温度以下まで冷却す
ることを特徴とするレールの熱処理方法である． Ｔｅｓ≦６６３　＋　Ｖｓ　・（−３５＋　２　・Ｖｓ
）−”・・（２）但し、 Ｔｅｓ　Ｖ）　　：レール頭部頭頂面の冷却終了表面温
度 ＶｓＶ／ｓ）　　：レール頭部頭頂面の表面温度７６７
℃〜６６７℃間の冷却速度 （作　用） 以下作用とともに本発明について詳細に説明する。

本発明の方法は、圧延終了後の圧延熱を保有した圧延レ
ールを、レール長手方向およびレール間において温度ば
らつきのある圧延レールであっても、オーステナイト域
温度以上から冷却して、均質な材質を保持した中間強度
ないし高強度のレールを安定して造り分けることができ
る。

通常圧延を終了した圧延レール長手方向（圧延長さ、約
１００ｍ〜１５０ｍ）の頭部頭頂面の表面温度測定結果
によると、温度ばらつきは約８０℃から１００℃である
．圧延レールの先頭部は後端部より比較的高温度である
。そして中間部においては部分的にスキッドマークや搬
送ローラーなどの影響による温度ばらつきもある．また
圧延されるレール間においても相当の温度ばらつきがあ
る。したがって、このような圧延を終了した圧延レール
長手方向の温度分布にばらつきがある場合、従来のよ・
うな冷却（冷却速度、約１０″Ｃ／ｓ）を行うと、レー
ル長手方向に硬度ばらつきが生じることは明らかである
。

そこで本発明者らは、冷却開始温度ばらつきがある場合
について種々の開発実験を行った。まず普通炭素鋼系レ
ールを用いて、レール頭部頭頂面下５間位置および２４
馴位置に熱電対を埋め込み、レール頭部頭頂面下５闘位
置の冷却速度をそれぞれ５℃／ｓ，７℃／ｓ．　１０″
Ｃ／ｓとして冷却開始温度を変化させ、冷却したレール
の硬度との関係を調べると、第１図のような結果が得ら
れた。

第ｌ図に示すように１０″Ｃ／ｓ以上の冷却速度では、
冷却開始温度が上昇するにつれて硬度は上昇し、その影
響を受けることは明らかで、７℃／ｓ以下の場合は、冷
却開始温度が変化してもほぼ一定の硬度であり、冷却開
始温度の影響を受けないことがわかった。その影響を受
けない冷却速度の上限は、約７゜Ｃ／Ｓである。またＣ
ｒなどを添加した合金鋼レールを３℃／ｓで冷却した場
合でも、冷却開始温度の影響を受けず十分な高強度が得
られた。

これらの冷却速度は、前記のようにレール頭部に熱電対
を埋め込み、第２図に示すように、レール１に対してレ
ール頭部頭頂面冷却用ヘッダ−２から気体冷却媒体をレ
ール頭部中央部に指向してレール頭頂面を噴射冷却する
冷却ノズル３、およびレール頭部頭側面および顎下面冷
却用ヘッダ−４から頭側面および頭部顎下面を噴射冷却
する冷却ノズル５を設けたレール頭部冷却用ノズルで、
所望の気体噴射圧力（噴射流量）を噴射してレール頭部
の冷却を行い、必要な冷却速度と気体噴射圧力およびノ
ズル距離との関係を定めておく。

第２図に示すような冷却ノズルを用いた場合の、冷却速
度と気体噴射圧力（気体噴射流量、ノズル距離およびノ
ズル抵抗係数などを含む）との関係は第３図に示すとお
りである。このようにして所望の冷却速度を気体噴射冷
却ノズルから噴射する所定の噴射圧力によってレールの
冷却を行う。

ここで冷却速度を限定する温度域をレール頭部頭頂面下
５ＩＩＩＩ＋１位置で７７０゜Ｃから６７０゜Ｃとした
理由は、第４図の冷却曲線に示すように、レール頭部頭
頂面下５　ｍｍ位ｉａおよび２４ｍｍ位置ｂ（レール頭
部断面中央部相当）に熱電対を埋め込み測定を行った結
果、冷却速度の指標として、５ｌＴＩＩＴ１位置ａが２
４ｍｍ位置ｂに比較して冷却速度が大きく、レール頭部
硬度と冷却速度の関係を把握しやすいこと、および温度
範囲をパーライト変態が開始する温度以上とするこ．と
によって冷却速度が変態熱による影響を受けないからで
ある。ところが熱処理を行おうとするレール頭部の冷却
開始温度は、オーステナイト域以上の温度域（約７００
゜Ｃ以上）であればよいから、冷却開始温度が７７０゜
Ｃ以下になることが有り得る。その場合は第４図のレー
ル頭部頭頂面下５ｍｍ位置ａの冷却曲線Ａに点線で示す
ように、７００゜Ｃ付近で得られる温度勾配から点線で
示したように、７７０゜Ｃまで延長して７７０℃におけ
る時間を読み取り、６７０゜Ｃに達した時の時間との差
で冷却速度を求めることで７７０゜Ｃから６７０゜Ｃ間
の冷却速度が得られる。この場合の冷却速度は７７０゜
Ｃ以上から冷却した場合とほぼ同一の冷却速度となり、
前記で定めた冷却速度と気体噴射冷却圧力（流量、ノズ
ル距離）との関係を補正することなく用いることができ
る。

また２４飾位置ｂについては、レール頭部断面のほぼ中
央に位置しており、レール頭部のバーライト変態の進行
状態から冷却を終了する時間を判断することができる。

それは冷却によってパーライト変態が開始するまで温度
は緩やかに降下するが、パーライト変態が拍まると変態
発熱によって温度は上昇をはじめ、変態がほぼ終了する
と温度は再び降下をはじめる．冷却は最短時間として再
び温度が降下を開始する時間をもって終了すればレール
頭部全断面に亘ってパーライト変態を終了させることが
でき、所望の硬度の熱処理レールを製造することができ
る。

ところで本発明の特徴は、冷却開始温度にばらつきがあ
っても得られる材質にばらつきがないことにあるから、
冷却開始温度にばらつきがある場合、冷却を開始するに
あたって検出されたレール頭頂面表面温度の最も高い温
度を冷却開始温度としてバーライト変態が終了する冷却
停止温度までを冷却所要時間として、レール全長に亘っ
て同時に冷却を開始して冷却を停止すると、パーライト
変態の終了は時間的にばらつきが生じることになる。そ
れはレール長手方向において部分的にパーライト変態が
終了しても引き続き冷却が行われたため冷却停止温度は
低温度となる。このような場合、冷却速度が７℃／ｓ以
上になると、レール頭部断面内においてレールにとって
有害なミクロマルテンサイト組織が生戒するという問題
がある。特に偏析があるような場合はマルテンサイト組
織の生成が多くなる。しかし本発明のように７℃／ｓ以
下で冷却を行えば、このような問題は生じない。

また本発明における冷却速度の下限は１．７℃／ｓであ
る。これは所望する熱処理レールの硬度、例えば普通炭
素鋼レールで中間強度Ｈａ：３００を得る冷却速度は１
．７゜Ｃ八、また溶接性を考慮した高強度レールのＣｒ
などを添加した合金鋼レールでＨ，：３４０を得る冷却
速度は１．７℃／ｓを必要とするからである． つぎに７７０℃から６７０℃までを所定の冷却速度で冷
却した後、ひきつづき同一気体噴射圧力で冷却して冷却
を終了する冷却終了温度を前記（１）式の温度以下と限
定した理由について述べると、レール頭部のパーライト
変態が終了したときのレール頭部頭頂面下５ｆＩＩ１１
位置の温度は前記（１）式に表わされる温度である．し
たがって、所望の冷却速度で冷却を行った後、（１）式
に従ってそれ以下の温度で冷却を停止すればよい．（ｌ
）式の温度まで所定の冷却が行われると、レール頭部の
バーライト変態は終了するから、それ以後はどの様な冷
却を行ってもよい。しかし冷却速度に対応した温度より
高い温度、例えば冷却速度１．７℃／ｓで６１２゜Ｃ以
上、７．０℃／ｓで５１９℃以上で冷却を停止すると、
レール頭部断面内においてパーライト変態が終了しない
部分が生じ、レール長手方向頭部断面内に硬度ばらつき
が生じる。またつづいて水のような冷媒を用いた強制冷
却などを行うと、部分的にマルテンサイト組織が生或す
る恐れがある。このようにして得られた結果に基すいて
冷却速度に対応する冷却停止温度を定め、冷却を停止す
るように操作することによって安定して均質な微細パー
ライト組織を得ることができる． ここで冷却に用いる冷却開始温度、冷却速度および冷却
停止温度をレール頭部頭頂面表面下５　ｍｍ位置とした
理由は、種々の研究実験を行う場合、温度を精度良く測
定する必要がある．しかし実験室においては、冷却を行
おうとするレールを圧延レールと同等の材質条件を再現
する温度に加熱炉などによって再加熱を行う加熱条件や
冷却開始までの待機時間の相違などから、レール表面に
生成するスケールなどのため頭部頭頂面の表面温度を非
接触で精度良く測定することが比較的難しいからである
． 一方実操業における圧延レールの場合は、非接触温度計
で頭部頭頂面表面温度で管理するのがよい。実操業の圧
延レールは、圧延が終了して冷却装置までに到達する時
間は安定して生産を行う上で常時一定の時間で到着する
。したがって、この間にレール頭部の表面に生戒する・
スケールはばらつきは少なく比較的安定している。

本発明者らは種々の研究実験によってレール頭部頭頂面
表面下５闘位置および２４ｍｍ位置の温度測定と併せて
レール頭頂面表面温度を非接触温度計で測定した結果、
表面温度はレール頭部頭頂面表面下５ｍｍ位置に対して
約３℃低い温度であり、冷却速度が大きくなると温度差
はやや大きくなる傾向にある。しかし冷却速度に換算し
た場合、レール頭部頭頂面表面下５ｍｍ位置の結果とは
殆ど差がなく、実用的範囲内においては殆ど問題がない
ことがわかった． また前記（２）式および（１）式の冷却停止温度は、冷
却中における冷却を停止する温度で、冷却装置内に構造
上温度計が設置できず測温できないことがあり、冷却が
終了して冷却装置から出た後、すなわちレール頭部表面
温度が復熱した後に測温することがある．そのような場
合についてさらに種々の研究実験を行った結果、頭頂面
表面温度および表面下５ＩＩＩＩｎ位置温度の復熱は、
冷却を停止して冷却装置から出て測温かできるまでの時
間約２０秒後で、いずれも約１５〜２０℃であった。し
たがって冷却が終了して冷却装置から出た後に温度測定
を行い操業管理する場合は、前記（２）式および（１）
式の温度に１５〜２０゜Ｃの温度を加算した温度以下に
なるように熱処理を行っても何ら問題はない。なお、加
算する温度は冷却を終了して温度を測定するまでの復熱
時間によって決まる。

以上の理由から、実操業においてはレール頭部頭頂面表
面温度の管理で操業することが好ましい．したがって冷
却速度はレール頭部頭頂面表面温度では７６７℃から６
６７゜Ｃ間を、冷却停止温度はレール頭部頭頂面表面温
度では前記（２）式を用いて求め、あらかじめ定められ
た気体噴射圧力（流量、ノズル距離）で所定時間の冷却
を行い、所望の強度の熱処理レールを得ることができる
。

これらの結果から、圧延を終了したオーステナイト域温
度以上の圧延熱を有し、かつレール長手方向にまた圧延
レール毎に温度ばらつきがある圧延レールを、均熱する
ことなく７℃／ｓ以下の冷却速度でパーライト変態がほ
ぼ終了するまで直接冷却して、レール長手方向と頭部全
断面に亘って、また圧延レール間に亘ってもばらつきの
ない均一・均質化された中間強度から高強度熱処理レー
ルを、生産性を損わず効率よく製造することができる。

（実施例） 次に本発明の実施例について説明する。

実施例１ 本実施例における冷却条件は、レール頭部頭頂面下５ｍ
位置における温度を７００″ｃ，　　７５０゜Ｃ，８０
０゛Ｃの３水準にして熱処理を行った。また冷却速度Ｖ
は、普通炭素鋼レールテは５℃／ｓ，７℃／ｓ，合金鋼
レールでは３゜Ｃ八として冷却し、冷却終了温度Ｔｅは
（１）式より算出して、■が５℃／ｓの場合Ｔｅは５４
１℃以下、■が７℃／ｓの場合Ｔｅは５１９゜Ｃ以下、
■が３℃／ｓの場合Ｔｅは５７９゜Ｃ以下になるように
冷却した。これらの試験結果を第１図に示す。本発明の
方法によると、硬度Ｈｖは冷却開始温度の影響を受けず
、また硬度ばらつきは極めて小さく安定している。なお
■が１０℃／ｓの場合、硬度Ｈｖは冷却開始温度の影響
を受け、硬度のばらつきは大きかった。

実施例２ 第１表に示される化学戒分を含有せしめたオーステナイ
ト域温度以上の圧延熱を有する６０キログラム／メート
ル（６０Ｋ）および１３６ポンド／ヤード圧延レール（
１３６ＲＥ）を、本発明の方法により冷却媒体として空
気を用いた空気噴射冷却法（冷却ノズルは第２図に示す
レール頭部中央に指向して空気噴射流を、レール頭部頭
頂面、頭側面および顎下面に向けて噴射冷却するノズル
、空気噴射圧力は第３図による）によって熱処理した。

本実施例における冷却条件は、レール頭部頭頂面表面温
度をレール全長にわたって測定し、各レールの最高表面
温度を基準にして熱処理を行った。

第１表において冷却開始温度は、符合■では７８０゛Ｃ
、符合■では７７５゜Ｃ１符合■では７７０゜Ｃであっ
た。それぞれの冷却速度Ｖｓは、符合の，■ではいずれ
も５℃／ｓ、符合■では３℃／ｓとして冷却し、冷却終
了温度’ｒ”ｅｓは（２）式より算出し決定した。

Ｔｅｓ計算値は符合の．■では５３８゜Ｃ以下、符合■
では５７６゜Ｃ以下である。したがって符合のではＴｅ
ｓを５３５゜Ｃ、符合■ではＴｅｓを５３０゜Ｃ、符合
■ではＴｅｓを５６７゜Ｃとした。

第１表　　　（ｗｔＸ） 得られた結果（冷却開始温度がレール頭頂面表面硬度に
及ぼす影響）を第５図（ａ）〜（Ｃ）に示す。第５図（
ａ）〜（Ｃ）に示すように本発明の冷却方法によると、
冷却開始温度（レール頭頂面表面温度）に約７００゜Ｃ
から約７８０゜Ｃのばらつきがあるにもかかわらず、硬
度ばらつきは非常に少ない均一・均質な微細パーライト
組織の熱処理レールが得られた。

（発明の効果） 以上説明したごとく本発明は、冷却開始時間にばらつき
があっても、レール全長に亘って耐摩耗性、耐損傷性に
優れたばらつきの少ない均質な熱処理レールを安定して
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレールの冷却速度および冷却開始温度と硬度の
関係を示す図、第２図は本実施例に用いた空気噴射頭部
冷却ノズルの断面を示す図、第３図はレール頭部頭頂面
下５　ｍｍ位置の冷却速度と空気噴射圧力（流量）およ
びノズル距離の関係を示す図、第４図はレール頭部頭頂
面下５鴫および２４＋ｉｍ位置の冷却曲線を示す図、第
５図（ａ）〜（Ｃ）は本発明を実施した場合の冷却開始
温度と硬度の関係を示す図である． １・・・レール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧延を終えたレールの頭部温度が、オーステナイ
   ト域以上である温度域から気体噴射流をレール頭部中央
   部に指向して噴射冷却するレールの熱処理方法において
   、レール頭部頭頂面下５ｍｍ位置の温度７７０℃〜６７
   ０℃間を、１．７℃／ｓ以上７．０℃／ｓ以下の冷却速
   度で冷却し、ひきつづき同一気体噴射圧力でレール頭部
   頭頂面下５ｍｍ位置の温度を下記（１）式の温度以下ま
   で冷却することを特徴とするレールの熱処理方法。 Ｔｅ≦６６６＋Ｖ・（−３５＋２・Ｖ）・・・・・・（
   １）但し、 Ｔｅ（℃）：レール頭部頭頂面下５ｍｍ位置の冷却終了
   温度 Ｖ（℃／ｓ）：レール頭部頭頂面下５ｍｍ位置の温度７
   ７０℃〜６７０℃間の冷却速度
2. （２）圧延を終えたレールの頭部温度が、オーステナイ
   ト域以上である温度域から気体噴射流をレール頭部中央
   部に指向して噴射冷却するレールの熱処理方法において
   、レール頭部頭頂面の表面温度７６７℃〜６６７℃間を
   、１．７℃／ｓ以上７．０℃／ｓ以下の冷却速度で冷却
   し、ひきつづき同一気体噴射圧力でレール頭部頭頂面の
   表面温度を下記（２）式の温度以下まで冷却することを
   特徴とするレールの熱処理方法。 Ｔｅｓ≦６６３＋Ｖｓ・（−３５＋２・Ｖｓ）・・・・
   ・・（２）但し、 Ｔｅｓ（℃）：レール頭部頭頂面の冷却終了表面温度 Ｖｓ（℃／ｓ）：レール頭部頭頂面の表面温度７６７℃
   〜６６７℃間の冷却速度